4. Устройства на сверхпроводимости

Переходы Джозефсона в настоящее время, в основном используются в устройствах для обнаружения и измерения магнитного потока, переключателях логических электрических цепей, выcокочастотных генераторах, детекторах и усилителях. Определения и термины, предложенные здесь, составляют основу в использовании СКВИДов в различных областях техники.

СКВИД - сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, которые использует явления на эффекте Джозефсона для измерения очень малых изменений магнитного потока. В их конструкцию могут включаться один или более переходов Джозефсона (единичный или двойной контакт) соединенные с индуктивностью. СКВИДы обычно используются в системах электронных приборов для измерения малых сигналов. Эти системы используются в магнитометрах, градиометрах, а также в качестве чувствительных элементов напряжения постоянного тока и низкой частоты и как датчики тока.

Если часть петли СКВИДа имеет нормальное электросопротивле­ние, т.е. включен элемент из нормального металла, то тогда используется термин резистивный СКВИД (иногда реСКВИД). СКВИД же с множеством отверстий (многодырочный или фракционно-витковый) имеет ряд сверхпроводящих петель, соединенных параллельно через один (или два) сверхпроводящий пе­реход. Эта конструкция дает малую общую индуктивность при одинаковой площади поперечного сечения. Терми­ны интерферометр Джозефсона, квантовый интерферометр или просто интерферометр часто заменяют друг друга совместно с термином СКВИД. В общем, нет четкого различия, но СКВИД часто используют в качестве датчика магнитного поля, а также в измерительных устройствах других параметров.

CКВИДы на одном точечном контакте показаны на рис.23 (а) и (б). На рис.23, б – изображен резистивный СКВИД, он имеет резистивный участок с токовым смещением. Как и в туннельных переходах, сверхпроводники А и В необязательно должны быть выполнены из одного материала. На рис.23, в показан СКВИД с двумя тонкопленочными переходами.

С верхпроводящее кольцо с двумя устройствами Джозефсона со слабыми связями (рис.23, в), называется СКВИДом постоянного тока. Критический ток в переходе с двумя слабыми связями является колебательной функцией приложенного потока, пронизывающего кольцо с периодичностью в один квант потока. СКВИД обычно находится в состоянии, поддерживаемом малым напряжением с постоянно-токового смещения. Определение приложенного магнитного потока обычно связано с измерением напряжения СКВИДом методом модуляции переменного тока.

Другим типом СКВИДа постоянного тока является SLUG (то есть Сверхпроводящим низкоиндуктивный Волновой Гальванометр – СЛАГ).

Этот СКВИД изготавливают путем покрытия небольшого участка ниобиевой проволоки припоем Sn-Pb в виде шарика. Ток, который нужно измерить проходит по этой проволоке. Переходы, образованные у краев припоя приводят к тому, что критический ток является периодической функцией поля, создаваемого приложенным током.

ВЧ СКВИД используется в основном в виде кольца, в котором включена одна слабая связь (рис. 23,а). ВЧ импеданс СКВИДа является колебательной функцией внешнего магнитного потока, с периодом в один квант. Изменения этого потока, обусловленные приложенным магнитным полем, вызывают изменения сигнала в резонансном контуре тока.

Параметр гистерезиса ВЧ СКВИДа определяется уравнением:

Β ≡ LI₀/θ₀ . (20)

Это, по существу, величина максимального потока, который может входить в СКВИД, не превышая критический ток перехода. Если β < 1 фаза через переход способна непрерывно настраиваться на изменение приложенного потока. Если β>1 , то поток, входящий в СКВИД и выходящий из него, прерывается, вызывая гистерезисные потери.

В большинстве применений, чувствительных к потоку, устройства, описанные выше, действуют как СКВИД с блокированным (запирающим) потоком (flux-locked СКВИД). Сигнал, пропорциональный выходу, действует по обратной связи на катушку модуляции СКВИДа, поэтому полный поток в СКВИДе поддерживается при постоянной величине и СКВИД действует по-существу как нулевой детектор.

Параметры, такие как чувствительность, пределы шумов, индуктивность и ёмкость для степени СКВИДов зависят в основном от особой внешней электрической цепи, использованной в устрой­стве и её эксплуатационной частоты, а также от типа перехода и формы СКВИДа.

Чувствительность потока - определяется током обратной связи и представляет изменение в один квант потока в приложенном потоке. Помехи, присущие устройству, обычно представлены как мощность помех потока S_ф, которая измеряется в единицах θ_о²Гц^-1. Система обычной конструкции, где поток пронизывает сверхпроводящую катушку с известным коэффициентом связи и может считаться оценкой качества, связанной с минимальным разрешением энергии на один Гц. Выражение для энергетической чувствительности можно записать:

, (21)

которая выражается в Дж·Гц^-1. Это дает надежный в настоящее время метод сравнения чувствительности СКВИДа. Типичные значения варьируются от 10^-28 до 10^-32 Дж· Гц^-1 . Другой пара­метр системы, с помощью которого измеряется скорость вращения, при изменении потока СКВИДа без размыкания системы. Единицами измерения являются кванты потока в секунду θ₀S^-1сек^-1 с типичными значениями от 10⁴ - до 10⁶ θ₀S^-1 сек^-1 . Когда устройства Джозефсона используются как логические элементы, то необходимы характеристики переключения (коммутации). Коммутирующим напряжением является усредненное по времени напряжение, которое существует в гистерезисном устройстве Джозефсона, оно от состояния с нулевым значением повышается последовательно до значения конечного. Если, например, к устройству приложено постоянно-токовое смещение I_g<I_m (I_m-пороговый ток, определенный ранее), но I_m затем понижается до величины I_m< I_g, тогда рабочая точка перехода будет перемещаться по линии нагрузки цепи. Усредненное по времени напряжение через переход (Н) будет увеличиваться, пока рабочая точка не подойдет к пересечению характеристики нагрузки (линии нагрузки) с ВА характеристикой постоянного тока. На рис.24 показаны характеристики нагрузки сопротивления R₁ и R₂ наложенные на ВА характеристики туннельного перехода Джозефсона, что вызывает запирание перехода, когда напряжение устройств а должно возвратиться к нулю, до того как будет произведена следующая логическая операция. Характеристика нагрузки R₂ приводит к включению при напряжении менее, чем U_min, что является самым малым значением при устойчивом режиме. При этом в режиме «открыто» переход возвращается к положению нулевого напряжения.

Время переключения относится к полному времени, между входным сигналом контура, контролирующего устрой­ства Джозефсона и выходным при возвращении коммутирующего напряжения. Основной нижний предел времени переключения равен приблизительно ~ 0,5 пс. Тем не менее, в ныне существующих устройствах время переключе­ния имеет три составляющих, зависящие от его параметров.

- RС (резистивно-емкостное) время перехода или интерферометр частот имеет доминирующий вклад во время переключения.

- Индуктивность кольца и резисторов в демпфированных интерфе­рометрах также вносит вклад во временную задержку L/R.

- Задержка на включение важна при небольших нагрузках, как например, для интерферометра на двух переходах куда входит время, определяемое разностью фаз в двух переходах для достижения критического значения, также как время для средних фаз для пе­реноса полупериода джозефсоновских (плазменных) осцилляции.

Криотрон на сверхпроводимости. Криотроном называется начальный класс сверхпроводящих логических устройств. Переключение от сверхпроводящего к нормальному состоянию осуществляется как магнитным полем, так и электрическим током или температурой. Устройство обладает очень малым сопротив­лением в непроводящем состоянии. Переключатель туннельного перехода Джозефсона впоследствии стал называться туннельным криотроном. В этих устройствах логическая ячейка криотрона заменена тонко­пленочным переходом Джозефсона, который управляется магнитным полем.

В заключении этого раздела отметим, что материал охватывает основные термины технической сверхпроводимости, которые студенты могут использовать не только в своем общении с лектором и другими преподавателями этого цикла, но и необходимыми при выполнении контрольных заданий в подготовке инженеров по специальности 140401 «Техника и физика низких температур». Достаточно подробные пояснения ко всем терминам позволяют пользоваться им как студентам в качестве дополнительного учебного пособия, так и всем тем, кто интересуется сверхпроводимостью и ее возможностями.

Ниже дается список наиболее распространенных физических терминов в количестве 65 наименований, который приводится в справочнике.

- идеальное состояние (фаза Мейснера),

- сверхпроводящее состояние (S),

- нормальное состояние (N),

- гиперпроводник,

- глубина проникновения (λ),

- лондоновская глубина проникновения (λ_L),

- длина когерентности (ξ),

- длина когерентности Пиппарда (ξ₀),

- параметр Гинзбурга-Ландау (æ),

- локальный или лондоновский предел,

- мейснеровское состояние,

- смешанное состояние (фаза Шубникова),

- промежуточное состояние,

- сверхпроводник 1 рода,

- сверхпроводник 2 рода,

- грязный (жесткий) сверхпроводник,

- бесщелевой сверхпроводник,

- магнитный поток,

- квант потока,

- флюксоид,

- вихрь Абрикосова (вихрь потока),

- захваченный (замороженный) поток,

- движение потока,

- поверхностный барьер,

- пиннинг потока,

- крип потока,

- течение потока,

- скачки потока,

- лавина потока,

- тепловое распространение,

- критическая температура (Т_с),

- резистивный переход,

-фазовый переход,

- сверхпроводящий (N-S) переход,

- критическая температура (перехода) Т_с,

- критическое магнитное поле (Н_с),

- термодинамическое критическое поле (Н_ст),

- нижнее (первое) критическое поле (Н_с1),

- верхнее (второе) критическое поле (Н_с2),

- поверхностное (третье) критическое поле(Н_с3 ),

- критический ток (I_с),

- плотность критического тока (j_c),

- сверхпроводящий (постоянный) ток (I_s),

- явление деградации,

- фазовая диаграмма,

- энергетическая щель (2Δ₀),

- слабосвязанные сверхпроводники,

- туннелирование,

- эффекты Джозефсона,

- эффект Джозефсона на постоянном токе,

- эффект Джозефсона на переменном токе,

- переход на точечном контакте,

- микромостик,

- сверхпроводящий туннельный переход,

- настраиваемые слабые связи,

- ступеньки (скачки) Джозефсона,

- параметры джозефсоновского перехода,

- джозефсоновская глубина проникновения (λ_j),

- вихрь Джозефсона (флаксон),

- критический ток перехода (I_cj),

- устройства на сверхпроводимости,

- СКВИД,

- чувствительность потока,

- время переключения,

- криотрон на сверхпроводимости.